CAP1400蒸汽发生器干燥器疏水槽实验研究

梅 勇 王 驰 宋印玺 应秉斌 张波涛 龚圣捷 顾汉洋

1（上海交通大学 机械与动力工程学院 上海 200240）

2（上海核工程研究设计院 上海 200233）

CAP1400蒸汽发生器干燥器疏水槽实验研究

梅 勇1王 驰1宋印玺2应秉斌2张波涛1龚圣捷1顾汉洋1

1（上海交通大学 机械与动力工程学院 上海 200240）

2（上海核工程研究设计院 上海 200233）

采用常温常压的空气和水，通过实验模拟研究了核电站CAP1400机组蒸汽发生器中疏水槽的疏水特性。实验中设计了不同倾角的疏水槽底板(3.5°-5°)，并设置了不同的疏水入水孔数(36-136个)，通过控制进入疏水槽的疏水流量(13.8-138.1 m3.h-1)，研究不同底板倾角以及不同疏水入水孔数对疏水槽的疏水能力的影响。采用摄像仪对不同工况下疏水槽的水位进行记录，通过MATLAB图像处理的方法对疏水槽水位进行识别，提取出水位高度数据用于实验分析。实验结果表明，疏水槽中最大液位高度随流量呈线性升高；疏水槽入水孔数量对于疏水槽内最大液位高度的影响不明显；疏水槽底面倾角对于疏水能力的影响较小。

蒸汽发生器，疏水槽，液位高度，MATLAB图像处理

蒸汽发生器是压水堆核电厂一回路和二回路热量传递的枢纽，为在二回路侧获得湿度低于0.25%的出口饱和蒸汽，采用旋流叶片式分离器进行第一级汽液分离，采用波形板干燥器进行第二级汽液分离。经波形板干燥器分离出的水被收集在疏水槽中，再通过疏水管回流，重新参与循环。疏水槽的结构设计需满足：(1) 收集的水不能溢出疏水槽，以避免水滴的二次携带，使出口蒸汽的湿度低于0.25%；(2) 其尺寸应该尽可能的紧凑，这直接关系到整个蒸汽发生器的安全性和经济性。可见，疏水槽的结构设计合理与否，对于蒸汽发生器的性能具有重要的意义[1-3]。目前，针对汽水分离器性能和原理的研究很多，主要是以实验为主，通过对比不同结构形式的汽水分离器研究其分离效率，对汽水分离器进行设计。丁慎训等[4]通过旋叶式汽水分离器的冷态实验对其疏水结构进行测试，发现在疏水通道入水口处开疏水孔，并合理设置孔数量有利于汽水分离，同时疏水槽水位不应高于汽水分离器出口水位。沈长发等[5]通过实验对秦山核电厂蒸汽发生器汽水分离装置进行研制，设计出具有较高的除湿能力双层布置带钩波形板干燥器具。国外对汽水分离器的研究也很多，大多数都是针对波形板汽水分离机理和过程的研究，如Azzopardi等[6]研究了在气流水平进入分离器波形通道的情况下液滴发生再夹带的机制，Verlaan[7]研究了液滴颗粒直径在 20-90 μm内的分离效率。但是，目前对于蒸汽发生器疏水槽的研究还相当有限，特别是对于疏水槽内水位高度的分析计算研究还不充分。

为保证我国自主研发的大型核电机组CAP1400的蒸汽发生器研发的顺利进行，本文通过实验的方法，研究了该型号反应堆蒸汽发生器疏水槽在各种不同条件下，疏水槽内水位高度的变化情况，从而检验疏水槽结构设计的可靠性，并为建立合理的计算模型提供实验依据。

1 实验系统

1.1实验回路

汽水分离器位于蒸汽发生器的上部，由三个部分组成，即一级分离器（主要是旋叶式汽水分离器）、重力分离器（空间上位于一、二级分离器之间）和二级分离器（主要是波形板干燥器和疏水槽），波形板干燥器得到的液体收集在疏水槽中，通过下降管回流参与再循环。针对CAP1400蒸汽发生器干燥器疏水槽的实验研究所搭建的实验回路如图1所示，由主回路系统、电气系统和测控系统组成。不锈钢储水水箱的水经过过滤器，由离心泵（最大流量为358 m3.h-1）疏运循环，包括旁通支路（DN200的管线）和两个实验支路（DN200管线和DN50管线），通过各个支路的调节阀对实验支路水流量进行精确调控。大小支路的水流量分别由两台电磁流量计进行测量，其主要参数见表1。实验支路的水进入疏水槽后，由疏水槽下水管回流入储水水箱。

图1 实验回路系统图Fig.1 Schematic of test facility.

1.2实验本体

图1中虚线标出的部分为实验本体，包括疏水槽本体和下水管两个部分。该实验本体采用单支下水管设计方案，结构尺寸如图2所示，疏水槽总长度为2 770 mm、宽为236 mm、高500 mm。背面和底面采用5 mm厚的不锈钢板焊接而成，前壁面与两个邻面采用透明有机玻璃板，以便于通过摄像机进行液面高度的可视化测量。疏水槽中布置了一根T型热电偶用于水温测量，热电偶的测温误差为±0.5 ºC。图2(a)和(b)分别给出了疏水槽的正视图和俯视图，其内部离底面300 mm高处设置了疏水孔板，结构尺寸见图2(c)。孔板上开了两排间距为30mm的疏水孔，靠近前壁面的疏水孔间距为30mm，后排疏水孔间距为60 mm。孔的直径为15mm，采用橡皮塞堵孔的方式，可以调整入水孔的数量，研究其对疏水槽水位的影响。同时，为研究水槽底面倾角对于疏水能力的影响，在疏水槽底面设计了4种不同角度的倾斜底板结构(α=3.5°、4°、4.5°、5°)，见图2(a)。底板倾角的改变可以通过保持图2(a)中右端的台阶高度H=100 mm不变，而改变倾斜底板的长度来实现。

表1 电磁流量计参数Table1 Parameters of electromagnetic flowmeters.

图2 实验本体图 (a) 实验本体整体结构尺寸图，(b) 疏水槽底板结构尺寸图，(c) 疏水槽中疏水入水孔在孔板上的布置图Fig.2 Schematic of test section. (a) Front view of the test section, (b) Top view of the test section, (c) Distribution of water entrance holes on a plate

1.3实验方法

本实验的目的是研究CAP1400蒸汽发生器干燥器不同结构的疏水槽的疏水能力(图1)，通过调节实验回路和旁通支路的调节阀，获得实验工况所需的水流量，采用电磁流量计测量水流量并通过数据采集系统记录流量数据。当实验工况稳定后，用摄像机记录疏水槽中流体流动的录像。

图3给出了实验现场摄像机的布置示意图。在采集疏水槽液位的录像数据之前，首先要调节摄像机机身处于水平状态，摄像机的拍摄面与正对的疏水槽的面互相平行，且位置正好在疏水槽整个宽度方向的中垂线上，这样才能使整个疏水槽很好地落在记录画面上，同一水平位置和同一竖直位置在画面中对应的水平像素和竖直像素基本相同，以便于后期的数据处理。此外，还需要较好地对拍摄现场布置适合拍摄的光照强度，保证整个拍摄画面的清晰度和适中的对比度。

表2给出了实验的所有工况。实验过程中，首先设置好疏水槽底板的倾角（依次为α=3.5°、4°、4.5°、5°），然后在每个倾角下，改变的疏水板入水孔数量（依次为136、119、108、100、90、73、66、59、36个），再在不同的疏水入水孔数量下，调节疏水流量，每调节一次，需要等流动稳定后通过录像机记录。

图3 拍摄现场布置示意图Fig.3 Diagram of the video camera arrangement on testing site.

表2 实验工况Table2 Experimental conditions.

2 实验数据分析处理方法

疏水槽中流动状况和液面的动态特性采用摄像仪进行观测记录，每一个工况记录10 s，然后等间隔选取20幅图像，采用MATLAB图像处理的方法，从图像中获得疏水槽中液位的高度，并比较选出具有最大液位高度的图像进行进一步的统计分析。

MATLAB提供了众多的图像处理函数，具有很强的图像处理和分析功能[8]。本文基于MATLAB数字图像处理平台，对采集的疏水槽液面进行识别并计算出相应的液位高度值。MATLAB中图像处理程序框图如图4所示。

图5(a)为疏水槽实验工况摄像机记录的一帧图像，底板倾角为5°，疏水入水孔数量为108，疏水流量为110.5 m3.h-1。为高效和准确地进行图像分析，首先从图片中截取疏水槽底部到疏水孔板之间有效的流场区域作为图像分析的对象。然后采用中值滤波函数“medfilt2”对截取图像进行滤波，减小干扰信息。接着，对滤波后的图像采用函数“im2bw”进行二值化处理，二值化阈值由函数“graythresh”获得[9]，从而得到如图5(b)所示的二进制黑白图像。由于疏水槽入水孔中向下流的水柱与液面连成一体，因此图像中难于识别该处的液位高度。为解决这一问题，采用线性化处理的方法，即对二值化处理后的部分图像进行进一步识别，通过查找每个水柱的左右两个边缘和两个边缘紧邻的液面高度，然后用此液面高度作为水柱两个边缘的液面高度，通过线性插值的方法近似给出水柱区域的液位高度。最后获得如图5(c)所示的结果，图5(c)中间位置深色曲线即为液面位置信息。图5(a)中白色条纹是毫米刻度标尺，水平的白色标尺上沿为疏水槽底面的位置。通过图像处理的方法获取疏水槽中液面的位置和疏水槽底面的位置，便可得到疏水槽中液位高度所对应的像素值（这样也可消除因为摄像机不水平而引起的测量误差），再通过像素与标尺高度的换算就能得到液位高度数据。

根据图像的分析可得，单个像素的尺寸在1.5-1.6 mm，取两个像素为最大误差值，则由于图像识别而产生的误差为1.1%；图像边缘变形带来的测量误差可由图5中8条竖直标尺的误差分析得到，最大误差值在2%以内。电磁流量计测量精度为1%。因此综上可见，实验测量结果的误差在3%以内。

图4 MATLAB图像处理程序框图Fig.4 Flow chart of digital image process by MATLAB.

图5 原始录像画面(a)、程序中二值化处理结果(b)和程序处理结果(c)Fig.5 Video image of the test (a), processed video image by binarization (b) and resulted video image with indicated water surface (c).

3 结果及分析

3.1疏水槽入水孔数对液位高度的影响

蒸汽发生器波形板干燥器的不同位置处排水沟槽下水量有很大的差异，因此本研究采用设置不同数量的入水孔来研究这一影响因素。图6给出了底面倾角ɑ=3.5°、4°、4.5°、5°时，不同疏水槽入水孔数条件下，对应的疏水流量与最大液位高度关系，为使图片显示清晰，将数据按疏水入水孔数的大小顺序分两组画散点图，两图中的虚线为不同疏水入水孔数下最大液位高度的平均值与疏水流量的线性拟合关系曲线。

由实验结果可见，疏水槽中最大液位高度随流量呈线性升高；不同角度下，在最小流量(13.8 m3.h-1)时，疏水槽中最大液位高度在120 mm左右；在满负荷设计工况（流量为138.1 m3.h-1）下，疏水槽中最大液位高度在255 mm左右，小于疏水槽设计值300 mm。根据实验数据平均值的线性拟合曲线，疏水槽中液位高度达到300 mm这一设计参数时，最大流量可达到166 m3.h-1。

但是，当疏水槽底面倾角一定时，同一流量下入水孔数量对疏水槽最高液位值没有明显影响，不同入水孔数工况对应的最大液位高度在平均值上下小幅随机波动。疏水孔数量影响到下降液柱冲击液面的速度和携带气体的量。Evans[10]研究表明，当液柱冲击自由液面时，液面呈现凹型曲面，同时携带气体进入液相，所携带气量可由式(1)计算得到：

式中，QE为单个液柱冲击液面的携气量，m3.s-1；D*为液柱的携气影响范围直径，m；DJ为液柱冲击液面前的有效直径，m；D1为3倍喷嘴直径处液柱的有效直径，m；vF为液柱冲击液面前水流速度，m.s-1。

有效直径可通过式(2)计算：

式中，JLRe为水柱雷诺数，JLRe= ρvNLJ/μ；Oh为表征水柱稳定性的无量纲数，其中，ρ为水的密度，kg.m-3；LJ为液柱高度，m；μ为水的动力粘度，Pa.s；DN为入水孔的直径，m；σ为水的表面张力，N.m-1。根据本实验的实际情况，以流量138.1 m3.h-1的疏水流量工况为例，在计算单孔携气率时，考虑水柱与周围空气的相互作用，其值应略大于入水口直径，D*可取0.016 5 m，LJ根据实际记录疏水槽液面水位取平均值0.461 m，D1可以通过式(2)计算（计算中取LJ=3DN）。表3给出了138.1 m3.h-1的疏水流量工况下不同入水孔数对应的携气量，两相流体总流量以及以36孔为基准，不同入水孔数下总流量的差异百分比。根据表3的计算结果可以看出，在138.1 m3.h-1的疏水流量工况，不同入水孔数下两相总流量的差异很小，因此，因入水孔数量变化引起的携气量的差别可忽略不计，从而也解释了实验中入水孔数量对疏水槽最高液位值没有明显影响的结果。

图6 疏水槽中液位高度随流量的变化关系 (a) α=3.5°，(b) α=4°，(c) α=4.5°，(d) α=5°Fig.6 The relationship between water depth and water flow rate under various water entrance holes. (a) α=3.5°, (b) α=4°, (c) α=4.5°, (d) α=5°

表3 液柱携气计算结果(138.1 m3.h-1疏水流量工况)Table3 Air entrainment calculation of plugging jet at flow rate of 138.1 m3.h-1.

3.2疏水槽底面倾角对液位高度的影响

疏水槽底面倾角的设计，有利于疏水槽下水管远端的液体输送至下水管，然而如果倾角过大，会提升疏水槽下水管远端底面凸台的高度，反而会增加最大液位高度，因此在一定流量条件下，底面倾角有一个最佳值保证疏水槽中的最大液位高度最小。本实验设定疏水槽下水管远端凸台的高度为100 mm，设定不同的底面倾角，研究底面倾角对于疏水能力的影响。

由图7可见，在不同倾角条件下，10个不同入水孔数工况的平均疏水槽最大液位高度随水流量呈线性增加的关系，并且线性增长的斜率有很好的一致性。当底面倾角从3.5°增加到4°时，疏水槽中液位高度有5%的小幅降低，但继续增加底面倾角至4.5°和5°时，疏水槽中液位高度将趋于恒定。可见，当保持侧面远端的凸台高度H=100 mm不变(图2)，适当增加疏水槽底面倾角有助于降低液面的高度，但随着倾角的进一步增加和斜坡长度的不断减小，疏水槽液位的高度将趋于恒定。

图7 底面倾角下对液位高度的影响Fig.7 Slope angle of bottom surface effect on water depth level in the drain tank.

4 结语

本文研究了不同疏水槽结构和疏水量对于疏水槽内液位高度的影响关系。实验结果表明，平均疏水槽最大液位高度随水流量呈线性增加的关系，并且线性增长的斜率有很好的一致性；疏水孔板入水孔数量对于疏水槽内液位最大高度的影响不明显。当底面倾角从3.5°增加到4°时，疏水槽中液位高度有5%的小幅降低，但继续增加底面倾角至4.5°和5°时，疏水槽中液位高度将趋于恒定。模拟实验的结果为后续的数值模拟提供了可靠的实验数据，为蒸汽发生器干燥器疏水槽的工程设计和验证提供了依据。

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Experimental study on drainage performance of drain device in steam generator of CAP1400

MEI Yong1WANG Chi1SONG Yinxi2YING Bingbin2ZHANG Botao1GONG Shengjie1GU Hanyang1

1(School of Nuclear Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)
2(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute,Shanghai 200233,China)

Background：In engineering application of steam generator (SG) for nuclear power plant (NPP), two limitations are imposed on the design of water tanks. One is that the water collected in the water tank cannot spill over to avoid the entrainment of water from the water tank. The other is that the size of the devices used in the SG is limited by the safety consideration and costs.Purpose：This study aims at the drainage performance of drain device in steam generator of CAP1400 to provide reliable data for the design of a drain device.Methods：The drainage performance of drain device in steam generator of CAP1400 was simulated through an experimental method with water and air under ambient temperature and pressure. A video camera is used to record liquid level at certain water flow rates range of 13.8-138.1 m3.h-1, and the recorded video images are processed by MATLAB program.Results：The experimental results show that the maximum water depth level in drain tank linearly increases with the water flow rate while the number of water entrance holes has no obvious effect on the drainage performance of drain device and the value of bottom surface slope angle has a little influence on it.Conclusion：Using a slope bottom plate can help draining water to some extent and the number of orifices has little effect on the liquid level of drain water tank.

Steam generator, Drain tank, Liquid depth, MATLAB digital image processing

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090602

国家自然科学基金(No.51306112)资助

梅勇，男，1989年出生，2013年于华北电力大学（北京）获硕士学位，现为博士研究生，研究领域为核电热工水力

龚圣捷，E-mail: gsj@sjtu.edu.cn

2015-05-14，

2015-06-15

CLCTL99